水草切割装置的研究现状与发展趋势摘 要：简述了国内外水草收割机的历史和发展，对于现有水草切割装置分别从切割器形式、体积、作业对象、功率、适合水域方面阐述优缺点。分别列举了往复式切割器和圆盘锯齿切割器的参数、切割原理、优缺点等情况，并且介绍了新型切割器。最后总结提出应开发可快速拆卸组合水草切割装置来应对现今的水草治理问题的观点。关键词：割草装置；小型；现状；趋势Research status and development trend of aquatic plants mowing apparatus (College of Engineering, Shanghai Ocean University, Wang Xiangchun M110601608)Abstract: Brief history and development of domestic and international Aquatics Harvester, existing from cutting grass cutting device, volume, power, job objects, suitable for water describe advantages and disadvantages. Listed separately to multiple parameters and circular saw-tooth cutter for cutting, cutting principles, advantages and disadvantages, and introduced the new cutter. Final summary of proposed development can be assembled quickly demolished the reeds of grass cutting device to respond to present day governance issues.Key words: Mowing apparatus; Small; The status quo; Trend1 引言当前，受工业化和人类活动的影响，许多江河湖泊水质恶化，以湖泊、水库、干渠内沉水植物异常繁殖为主要特征的水体富营养化状况日趋严重。在大型水生植物响应型的草型湖泊内，各种挺水植物和沉水植物过量生长，其群落盖度可达100%，最大生物量(湿质量)为 22.5 kg/m2以上，形成了极大的初级生产力，河网水域杂草泛滥，一下雨、一放水，水草从乡村内河内湖涌入大江大河，成为一大景观4。大量沉水植物充塞水体空间，自生自灭，破坏自然景观，危害渔业生产，腐败后沉积水底，不仅污染水质 ，而且加速了生物填平作用，促进沼泽化过程，危害了湿地生态系统的良性循环。如果不及时打捞上岸，又会腐烂变臭，重新污染水质，已严重影响到航道的运输、水道的防洪排涝、城市环境的美化，有的甚至使水质恶化影响人类健康，水生植物的治理急需解决16。2 国内外水草切割装置分析比较 荷兰等国11早在50年代就开始使用专门的水利机械进行河道的清淤除草作业。荷兰的 IHC CO Konijn机械厂1958年研制出H系列两栖式挖泥船共6种机型，随后又相继开发出M系列、S系列和FB系列等多种清淤机械；荷兰的HERDER公司也开始研制各种机型的河道除草机。起初他们一般是把切割器安装在液压挖掘机或农用拖拉机上，把沟渠、河道内的蒲草、杂草切割后捞起放于岸边，其整机需停在岸边或沿岸边行驶进行作业，这就是陆用割草机。由于陆用割草机的使用范围有较大限制，河道、沟渠旁常植有树木，无法停机，远离岸边的水草又无法切割到，因此研制一种能在河道中航行的水中割草机应运而生。60年代，英国的Rolbe公司开发出Gibeaux系列水中割草机29，英国的John Wilder（工程）公司33也开发出自己的系列产品，30多年来，这些产品至今还在世界各地广泛使用。由于水草的疯狂蔓延造成水域生态环境的恶化，自水中作业的水草收割机产生以来，引起了越来越多的生产厂家和研究机构的重视。根据现有资料可知7，国外研究水草收割机的比较有影响的厂家有美国 advanced acquatics公司30，目前该公司已经开发出来的产品有H系列，H 4、H 7、H 8、H 10四种型号数十种产品；美国 aquam arine公司30，该公司研制有EH、H、HM三大系列产品；荷兰 IHCCOKONIJIN 机械厂和 HEEDER公司，英国的ROLBE公司和JOHNW ILDER(工程 )公司，澳大利亚、日本、俄罗斯、德国也有相类似的产品。1992年北京市水利局为了清除京密运河上的各类水草，加快水的流速，减少沿路水的损耗，特邀请了水利系统几家设计和生产单位联合开发水中割草机26，SGY-2.5型水中割草机即是其开发的产品之一。该机与国内其它型号的割草机相比，具有不缠草、割草效果好、有避让保护系统等诸多优点。国内也有一些相关的企业及研究机构进入该领域，并且取得了一定的研究成果，如宁波农业机械研究所、象山农机厂、绍兴县农林管理总部联合研制的WH 1800型河道清草机8-9，上海电器集团现代化农业装备有限公司新液压厂开发的GC2230型河道割草保洁船以及GC2000型小型河道割草作业机械10 ，内蒙古农业大学机电工程学院设计的9GSCC-1.4型水生植物收割机船队11，北京劳模亚洲环保设备有限公司设计生产的LW 5000多功能劳模水草收割船。些产品外型大，长度都大于8m，需要多人及辅助机械协同作业，适用于大型水域水草的收割。而景观水域的设计通常都采用自然造型，有各种不同的曲线，且水面较为狭小，不利于大型机械作业。表1 国内外研制的水草收割设备类型生产厂家控制方式船体切割器推进器参数与工作特点形式安装部位形式安装部位USA Advanced Aquatics Company液压单体船往复式船体前部明轮船体尾部长7.77m，宽3.05m，高2.2m，重2.1t，主机功率14.92 kW，适于收割各类水草，需要拖船、传送带等辅助作业。USA James R.Meclure液压单体船往复式船体侧面螺旋桨船体尾部船体稳性比较差,不适合小船体作业,适合大面积水草治理。USA James l.Hawk液压单体船旋转式船体前部明轮船体尾部滚筒式拔草装置，割收分开作业，需辅助设备，漏收率较高。USA joshua .Britton.液压单体船旋转式船体前部螺旋桨船体尾部割收分开作业，漏收率高。切割器安装密封要求高。OTOOLE C B液压单体船旋转式船体前部螺旋桨船体尾部在吸引力的作用下，吸收割下的水草。主要为蓝藻等浮水植物。Charles B.Bryant液压单体船旋转式船体前部螺旋桨船体尾部整机功率大，船体振动大，水草漏收率低，无二次污染。北京市水利局液压单体船往复式船体前部明轮可调长5m，宽2m，高2m，重4.4t，主机功率26.47 kW，需辅助作业。宁波农业机械研究所等单位联合研制液压单体船往复式船体前部螺旋桨船体尾部长6.1m，宽2.5m，高0.75m，重5.5t，功率14.71 kW，需辅助作业。USA Carl V. olson液压单体船往复式船体尾部螺旋桨船体尾部割收分开作业，需要辅助设备协同工作，切割器受冲击，损伤比较大。上海电气集团现代农业装备成套有限公司液压单体船往复式船体前部明轮船体腰部长14.3m，宽4.25m，高2.54m，重9t，适合大型水域。对国内外典型水草收割机进行比较后, 不难发现它们具有以下特点。( 1) 液压控制。大部分水草收割机明轮的动作、切割器的工作以及传送带的升降都是采用液压控制的方式来实现的，该种控制方式的优点是能够实现无级变速，方便灵活地控制切割器以及明轮的工作速度。( 2) 明轮驱动。在所有的水草收割机当中, 最常用的驱动装置是明轮, 而且一般情况下, 都是安装在船体的尾部。只有 SGY - 2. 5型水中割草机这种水草收割机的明轮安装是比较柔性化的，充分考虑到了水草收割机的各种工况, 可以任意改变明轮的安装位置。( 3) 往复切割。大部分产品都采用往复式切割器, 并且安装的位置都是在船体的前部, 比较少的情况是采用旋转式的切割器, 这样有利于避免缠绕等问题的产生。( 4) 辅助设备。所有典型水草收割机械都需要有辅助机械 (输送带、拖船等 )来协助工作, 才能连续完成大量作业。由上表可以看出，现有水草切割装置，都具有体积大，机船一体化，适合大型水域工作特点。所以小水域水草切割问题亟待解决。3. 市场现有水草切割器主要分类3.1 往复式切割器收割机切割装置由切割器和割刀传动装置组成。水草收割机的作业类似牧草收获机械和稻麦收获机械，采用往复式切割器。割刀传动装置将动力传递给割刀，同时将旋转运动改变为往复式直线运动，实现切割过程4。牧草收获机械的割刀传动装置位于切割器的侧面，其曲柄连杆机构与切割器在同一平面内，或通过分析可以简化在同一平面内，曲柄连杆机构与切割器所受力系为平面力系。水草收割机的切割器是切割装置中的一个重要部件，它影响作业质量和生产率，目前采用的主要有3种：绳索式，国外曾采用，适合只割不收的切割船上14；旋转式，湖北监利县农机研究所设计的收获机上采用，缠绕问题十分严重。如采用圆盘式割刀，由于旋转轴极易缠绕沉水植物，轴架支承部分易拖挂成团沉水植物且与捡拾输送器不易配置而无法正常工作23；经实验在水下切割沉水植物以往复式切割器为宜。从设计条件考虑选用标准无护刃器双动大刀片式较理想。割刀传动装置将动力传递给割刀，同时将旋转运动改变为往复式直线运动，实现切割过程18。水草收获机械的割刀传动装置位于切割器的侧面，其曲柄连杆机构与切割器在同一平面内或通过分析可以简化在同一平面内， 曲柄连杆机构与切割器所受力系为平面力系。割刀传动装置要与水面成一定的入水角度驱动切割器在水下做平行于水面的往复直线运动对水草进行切割。往复式割刀的运动是一种变速度运动，切割过程中随着切割速度的增加，切割阻力下降，但惯性力增加，一般收获牧草的平均切割速度大于1 m/s35。沉水植物收获机械在设计上应满足水域工作条件、沉水植物的物料特性和切割、捡拾及输送的工作特性要求，防止沉水植物在切割器、捡拾器前部堵塞，在曲柄连杆机构挂草及在旋转部件上缠草，等等。水草切割装置部件的造型、设计和参数计算应根据设计学的要求和物料特性30。沉水植物在收割过程中遇到旋转部件均会产生缠绕现象，造成脱链、跳链现象及增加功率消耗，严重者导致无法正常生产。因此在结构设计上必须采取防缠绕措施，如在旋转部件与非旋转部件中间的间隙处设防缠绕罩，使沉水植物无法通过这一缝隙，从而避免缠绕在旋转部件上。选择往复式切割器则能避免切割器被缠绕和堵转的问题，即使遇到强度、韧性比较大的水草，切割器的刀片也能依靠高速运动将水草割断6。3.2 圆锯齿切割器圆锯齿切割器是市场现有最普遍的切割器形式，当刀盘高速旋转时，在离心力作用下保持其切割状态。当阻力过大或遇障时，刀片即回摆，避免损坏。刀片一边刃口磨损后可以换边使用。更换刀片也较往复式割草机方便。在旋转式割草机上，除装有与往复式割草机相似的安全装置外，在切割器上